机器人智能感知基础 课件 第二章 机器人内部传感器技术基础

1第二章机器人内部传感器技术基础目录CONTENT123位置与速度传感器加速度传感器陀螺仪表45姿态传感器本章小结位置与速度传感器2.1绝对式光电编码器是一种直接编码式的测量元件，它可以把被测转角或位移直接转化成相应的代码，指示的是绝对位置而无绝对误差，在电源切断时不会失去位置信息。绝对式光电编码器由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，工作原理如图2-1所示。绝对型光电编码器增量式旋转光电编码器增量型编码器能记录旋转轴或移动轴的相对位置变化量，却不能给出运动轴的绝对位置，增量编码器的码盘如图2-2所示。在光路中增加一个固定的与光电器件的感光面几何尺寸相近的挡板，挡板上安排若干条几何尺寸与码盘主光栅相同的窄缝。当码盘运动时，主光栅与挡板光栅的覆盖就会变化，导致光电器件上的受光量产生明显的变化，从而通过光电转换检测出位置的变化。从原理上分析，光电器件输出的电信号应该是三角波。但是由于运动部分和静止部分之间的间隙所导致的光线衍射和光电器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度与码盘的分辨率无关。直线式光电编码器与增量式旋转光电编码器不同，在直线编码器（通常也称为线性编码器，其中“线性”不意味着线性关系而是指直线运动）中，矩形平板而不是旋转盘沿直线移动，其与轴编码器（旋转）有着相同类型的信号发生和解译机制。将光源放置在移动板侧，并且使用一个或多个光电传感器在另一侧检测透过两板公共区域的光。当两个板上的线重合时，最大光量将通过两个板的公共区域。当一板上的线落在另一个板的透明空间上时，几乎没有光穿过这两个板。因此，当板移动时，光电传感器产生脉冲串，并且在用增量式编码器的情况下时可以确定直线位移。合适的结构如图2-3所示，编码板与要测量直线运动的物体相连。直线式光电编码器使用LED光源和光敏晶体管光电传感器来检测运动脉冲，同旋转编码器所用的方法一样，可以解译该脉冲，同轴编码器一样，使用相位板来增强检测信号的强度和分辨力。如图2-3所示，需要用两个正交窗（即有四分之一间距偏移）轨道来确定运动方向。在相位板上，使用与主轨道相距半间距偏移的另一个窗轨（图2-3中未示出）来进一步增强检测脉冲的识别。具体来说，当主轨道上的传感器读取高强度（即当编码板和相位板上的窗口对准时）信号时，在半间距距离处轨道上的传感器将读取低强度（因为相位板的相应窗口被编码板的不透明区域阻挡）信号。测速发电机是最常用的一种模拟式速度测量传感器，它是一种小型永磁式直流发电机。其工作原理是基于当励磁磁通恒定时，其输出电压和转子转速成正比，即式中，U为测速发电机输出电压;n为测速发电机转速;k为比例系数。当有负载时，电枢绕组流过电流，由于电枢反应而使输出电压降低。若负载较大，或者测量过程中负载变化，则破坏了线性特性而产生误差。为减少误差，必须使负载尽可能地小而且性质不变。测速发电机总是与驱动电动机同轴连接，这样就测出了驱动电动机的瞬时速度。它在机器人控制系统中的应用如图2-4示。模拟式速度传感器

在机器人控制系统中，增量式编码器一般用作位置传感器，但也可以用作速度传感器。当把一个增量式编码器用作速度检测元件时，有两种使用方法。数字式速度传感器（1）模拟式方法在这种方式下，关键是需要一个F/V转换器，它必须有尽量小的温度漂移和良好的零输入输出特性，用编码器的脉冲频率输出转换成与转速成正比的模拟电压，它检测的是电动机轴上的瞬时速度，如图2-5所示。（2）数字式方法编码器是数字元件，它的脉冲个数代表了位置，而单位时间里的脉冲个数表示这段时间里的平均速度。显然单位时间越短，越能代表瞬时速度，但在太短的时间里，只能记到几个编码器脉冲，因而降低了速度分辨率。目前在技术上有多种办法能够解决这个问题。例如，可以采用两个编码器脉冲为一个时间间隔，然后用计数器记录在这段时间里高速脉冲源发出的脉冲数，其原理如图2-6所示。数字式速度传感器

数字式速度传感器倾斜角传感器测量重力的方向，应用于机器人末端执行器或移动机器人的姿态控制中。根据测量原理不同，倾斜角传感器分为液体式和垂直振子式等。（1）液体式图2-7为气泡位移式倾斜角传感器的结构及测量原理。半球状容器内封入含有气泡的液体，对准上面的LED发出的光。容器下面分成四部分，分别安装四个光电二极管，用以接收透射光。液体和气泡的透光率不同，液体在光电二极管上投影的位置，随传感器倾斜角度而改变。因此，通过计算对角的光电二极管感光量的差分，可测量出二维倾斜角。该传感器测量范围为20°左右，分辨率可达0.001°。倾斜角位置传感器电解液式倾斜角传感器的结构如图2-8所示，在管状容器内封入KCL之类的电解液和气体，并在其中插入三个电极。容器倾斜时，溶液移动，中央电极和两端电极间的电阻及电容量改变，使容器相当于一个阻抗可变的元件，可用交流电桥电路进行测量。倾斜角位置传感器

倾斜角位置传感器加速度传感器2.2

线加速度传感器原理

线位移式加速度传感器

（2.1）（2.2）

线位移式加速度传感器稳态时的输出幅值为幅频特性为相频特性为相对幅值误差为相角差为线位移式加速度传感器（2.5）（2.6）（2.7）（2.8）

线位移式加速度传感器

线位移式加速度传感器（2.9）

线位移式加速度传感器（2.10）（2.11）

线位移式加速度传感器

摆锤式加速度传感器

（2.12）

摆锤式加速度传感器（2.13）（2.14）（2.15）（2.16）

（2.17）

摆锤式加速度传感器（2.18）

（2.19）（2.20）

摆锤式加速度传感器（2.21）（2.22）

摆锤式加速度传感器（2.23）

摆锤式加速度传感器（2.24）（2.25）（2.26）石英挠性加速度传感器实际上是一种机械摆式加速度计，其挠性杆和电容传感器构成一体，故结构简单，有精度高、功耗小和体积小等优点。这种加速度传感器既是惯导系统的理想部件，又可广泛用于工业监测系统、石油钻井的随钻测斜系统、水库大坝或建筑工程的测斜系统。石英挠性加速度传感器的结构原理如图2-13所示。敏感头由挠性支承摆组件（其上装有力矩器线圈）、力矩器、差动电容传感器（由摆片与轭铁的上下磁结构组成）和阻尼器（由力矩器线管与磁钢之间的空隙及力矩器线管与其外侧的轭铁之间的空隙形成，通过空气阻尼）等组成。石英挠性加速度传感器

石英挠性加速度传感器（2.27）（2.28）

石英挠性加速度传感器（2.29）

石英挠性加速度传感器1.压阻加速度传感器压阻式加速度传感器具有一般压电力敏传感器不具备的直流响应特性，且输出稳定和线性度好，因此工程师对这种传感器的研究工作十分活跃。提高压阻式加速度传感器性能通常会遇到两个技术难题，一是压阻器对温度十分敏感，二是压阻器耐冲击性能差。（1）压阻式加速度传感器的结构原理压阻/压电式加速度传感器压阻式加速度传感器由压阻器和一块混合集成电路组成，电路带有低温漂的集成运算放大器和EMI滤波器，全部组件封装在一个塑料盒内。压阻式加速度传感器的结构原理如图2-16所示，这种硅悬臂梁结构能将加速度产生的惯性力转变成应变力。

压阻/压电式加速度传感器（2.30）（2.31）（2.32）

压阻/压电式加速度传感器

压阻/压电式加速度传感器（2.33）（2.34）

压阻/压电式加速度传感器（2.35）为了克服灵敏度低和温度影响，传感器中设置了放大器和温度补偿电路。图2-20展示了加速度传感器的电路放大器由四级低温漂运算放大器组成，它是单片集成电路，带有用于补偿零位偏置和灵敏度漂移的型电阻器。混合集成电路由集成电路和厚膜电阻网络构成。传感器的差动输出经差动放大器放大，并转变成单极性输出，放大器起到温度补偿作用。静态输出如图2-21所示。压阻/压电式加速度传感器

压阻/压电式加速度传感器（2.36）

压阻/压电式加速度传感器2.压电式加速度传感器压电加速度传感器利用具有压电效应的物质，将产生加速度的力转换为电压。这种具有压电效应的物质，受到外力发生机械形变时能产生电压；反之，外加电压时，也能产生机械形变。压阻/压电式加速度传感器

压阻/压电式加速度传感器（2.37）光纤加速度传感器主要有马赫·曾德干涉仪型和迈克尔逊干涉仪型两种，它们的原理基本一致。1.马赫·曾德干涉仪型光纤加速度传感器马赫·曾德干涉仪型光纤加速度传感器的结构原理如图2-26所示。图中壳体2中的上下两光纤8和9在无张紧状态下穿过质量块5，然后穿过壳体到耦合器10。光纤8和9是马赫·曾德干涉仪两臂的一部分，这两个臂至分束器11，并与激光器14相联，耦合器10通过单根光纤把调制光纤导到光电检测器12及信号处理器13。耦合器接收到来自两根光纤的光为两束相干光束，这两束相干光束的相位差与加速度成正比。光纤加速度传感器2.迈克尔逊干涉仪型光纤加速度传感器迈克尔逊干涉仪型光纤加速度传感器的结构原理如图2-27所示。图中1为光纤加速度计本体，在壳体2上下两端盖上分别开窗孔3、4，检测质量块5与金属模块元件6、7支承在壳体的边壁上，6、7限制了检测质量块5的横向运动，可以沿箭头所示的方向运动，单模光纤8、9分别紧固在检测质量块5的上下两表面上。光纤8、9是迈克尔逊干涉仪两臂10和11的一部分，壳体外部的光纤与分束器12相连，光纤8的外部光纤经分光束器与光电检测器相连，光电检测器的输出送给信号处理器。光纤加速度传感器

光纤加速度传感器（2.38）（2.39）陀螺仪表2.3早期的框架式陀螺的轴承用滚珠支承；为了减少轴承磨擦力矩，后来人们研制了用气浮和液浮支承的陀螺。前者称滚珠轴承式框架陀螺，是第一代陀螺；后者称浮动式框架陀螺，是第二代陀螺。1.单轴框架陀螺单自由度陀螺的结构原理如图2-28所示，其由高速转子（轴承支承）、浮子结构、输出轴轴承、传感器、力矩器、支承、阻尼器和陀螺壳体组成。当不考虑转子的转动自由度时，陀螺转子轴只有一个绕输出轴的转动自由度，故称其为单自由度陀螺，又称单轴陀螺。框架式陀螺绕输入轴相对陀螺壳体输入一个旋转速率时，在与输入轴成90度的方向产生一个陀螺力矩，在陀螺力矩作用下陀螺的浮子绕输出轴转动。图2-28中的传感器有一对交流线圈，一个固定在壳体上，另一个固定在浮子上，故可检测浮子相对壳体的转动角度。力矩器是用来对陀螺施加控制力矩的，它的转子固定在浮子上，定子固定在壳体上。当控制线圈通以控制电流时，力矩器便产生电磁控制力矩，产生的力矩可以控制陀螺运动，还可以补偿有害力矩，减小陀螺漂移。阻尼器是由圆柱形浮子和圆柱形壳体之间的环形小间隙，并充以一种高比重高粘度系数的氟油形成的，它不仅可以减小支承的负载，同时使其隔离冲击振动，还可提供所需的阻尼力矩。框架式陀螺2.双轴框架陀螺与单自由度陀螺相比，双轴框架陀螺的转子轴具有两个转动自由度。它是由转子、内框架和外框架以及三对轴承所组成，转子轴内、外环轴相互垂直。双自由度陀螺的结构原理如图2-29所示，在陀螺转子支承件和壳体间加一个中间平衡环，使陀螺有第二个旋转自由度。因有两条平衡环轴，故壳体可绕轴A或轴B倾斜而不干扰转子自转轴的空间方位。框架式陀螺壳体的倾斜即是对稳定平台的角干扰，传感器检测出干扰信号，并将误差信号送到平台伺服回路，从而将角干扰减小到零。与单自由度陀螺相似，转子安装在精密轴承上，并以高速（1200~2400r/min）转动，像平衡在弦线上的玩具陀螺那样，转子的角动量使其在惯性空间保持稳定。动力调谐式挠性陀螺动力调谐式挠性陀螺的驱动轴与转子之间的挠性接头已不是前述挠性陀螺的一根细颈轴，而是由两对相互垂直的扭杆和一个平衡环组成，如图2-30所示。动力调谐式挠性陀螺的结构原理如图2-31所示。动力调谐式挠性陀螺，除挠性接头与挠性陀螺的细颈式挠性接头不同外，其余部分如磁滞电动机、驱动轴、转子、信号传感器和力矩器等，仍然与细颈式挠性陀螺的基本相同。前述框架式陀螺、挠性陀螺和动力调谐式挠性陀螺都是用机械方法支承转子，而下述静电陀螺的转子则是由静电吸力支承。静电陀螺的转子做成球形，将其置于超高真空的强电场内，由强电场产生的静电吸力悬浮。静电陀螺

显然，若电极上的电压是不可调节的固定值，则起不到支承转子的作用。因为当转子相对电极有一个位移时，转子与对应两个电极之间的间隙起了变化，间隙变小一端的电极对转子的静电吸力增大，而间隙变大的一端的电极对转子的静电吸力减小，这样，转子被吸引向间隙变小的那一端电极，从而失去支承作用。因此，转子出现位移时，必须自动调节对应两个电极施加的电压大小，使间隙变小一端电极上施加的电压减小，从而减小静电吸力，并使间隙变大一端电极上施加的电压增大，以便使静电吸力增大，这样才能将转子拉回到中间位置而起到支承转子的作用。2.静电陀螺的工作原理静电陀螺的工作原理如图2-33所示。静电陀螺若沿三个正交轴方向在球形转子外面配置三对球面电极，即球形转子的左右、前后和上下方向都配置一对球面电极，且每对电极上加的电压均可自动调节，则球形转子被支承在三对球面电极的中心位置。实际静电陀螺的转子用铝或铍等比重小的金属做成空心或实心球体，并放置在陶瓷壳体的球腔内，球腔壁上用陶瓷金属化办法制成三对球面电极。通过支承控制线路敏感转子相对电极的位移，并自动调节加到各对应电极上的电压大小。静电陀螺激光陀螺是利用闭合光路中逆、顺两方向运转两激光束的激光谐振频率差检测相对惯性空间的转速和方向，功能与机械陀螺相同，但无机械转子。1.无源Sagnac干涉仪利用Sagnac效应测量物体相对于惯性坐标系的转动角速度的装置称Sagnac干涉仪，图2-34是理想的Sagnac干涉仪示意图。光在A点入射，并被半透半反射镜SP分成两束，设法使折射光沿半径为的圆形路径向逆时针方向传播，而透射光沿着相同的圆形路径向顺时针方向传播。经过一周后，这两束相反方向传播的光又在半透半反射镜处会合，当干涉仪不转动时，这两束光传播一周的时间是相等的，即激光陀螺（2.40）

激光陀螺

激光陀螺

（2.41）（2.42）2.激光陀螺工作原理激光出现以后，将激光增益引入环形腔，做成激光振荡器，这样极大地提高了测量转动角速度的灵敏度，这种装置就是激光陀螺。图2-35展示了带增益管的三角形谐振腔。激光陀螺

（2.43）

激光陀螺（2.44）

激光陀螺（2.45）（2.46）

（2.47）

激光陀螺（2.49）

（2.50）

激光陀螺（2.51）（2.52）

光纤陀螺（2.53）

由图2-37看出，返回到光源的信号光中，顺时针光和逆时针光在分束器上各经过一次透射和一次反射，它们满足光学互易性，原则上只有它们才能作为光纤陀螺的相位检测信号。根据以上分析，我们在靠近光源附近再放置一个分束器，将激光返回到光源的一部分光反射到探测器上，这种光纤陀螺称为“最简结构”光纤陀螺，如图2-38所示。国外性能较高的光纤陀螺一般都采用这种光路互易的“最简结构”光纤陀螺方案。光纤陀螺2.全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺全光纤陀螺是用光纤耦合器、光纤偏振器等的光纤陀螺，从而使整个光路连成一个整体，大大提高了稳定性。全光纤陀螺的原理如图2-39所示。集成光学光纤陀螺是将耦合器、偏振器、相位调制器集成在一个光电晶体上，用其代替光纤耦合器、偏振器和调制器，如图2-40所示。光纤陀螺姿态传感器2.4惯性系统基本概念惯性导航系统是利用惯性传感器的基准方向及最初的位置信息来确定载体的方位和速度的自主式的导航系统，它通过惯性传感器精确测量载体的旋转运动参量和直线运动加速度，经过积分得到速度、位置及姿态数据。惯性系统依赖载体内部传感器测量载体的运动参量。不与载体外界发生声、光、电、磁等联系，因而具有非常好的隐蔽性，不受外界气象条件、地理条件及人为因素的影响。惯性系统的这种特点使其不仅在强调隐蔽性的军事领域得以广泛应用，而且在某些难以接受外部信号的条件下，例如水下机器人、地下管道清洗机器人以及高层建筑的爬壁机器人等，有着良好的应用前景。惯性系统基本概念

惯性系统基本概念捷联式系统原理框图如图2-42所示。捷联（strapdown）的英文原意是“捆绑”，在捷联式系统中没有陀螺稳定平台，惯性传感器（陀螺与加速度计）直接安装在载体上，以计算机实现的数学平台代替平台式系统中的物理平台。与平台系统相比较，捷联式系统具有以下明显的优点：（1）惯性传感器（陀螺和加速度计）易于安装、更换和维护；（2）惯性传感器可以直接给出载体坐标系方向的运动角速度、线加速度和线速度信息；（3）结构简单、造价低廉。捷联式系统基本方程1.位置方程地球坐标系

到地理坐标系

的转换如图2-43所示按以下顺序转换以上转换关系可用如下矩阵表示则（2.54）捷联式系统基本方程

（2.55）捷联式系统基本方程

（2.56）捷联式系统基本方程

（2.57）（2.58）（2.59）捷联式系统基本方程

（2.60）捷联式系统基本方程

（2.61）

（2.62）捷联式系统基本方程

（2.63）捷联式系统基本方程

（2.64）（2.65）

机器人姿态传感器1.机器人姿态传感器的特点解九个微分方程组的运算量大，一般采用四元数法求解微分方程。四元数是一个实系数的四元数组，它是一个四维空间中的矢量，一般表示为用四元数描述刚体定点转动时四元数的矢量部分可看作三维空间的一个矢量，载体相对地理坐标系的角位置可用四元数表示，姿态矩阵可写为其微分方程为（2.66）

（2.67）机器人姿态传感器

（2.68）机器人姿态传感器2.捷联系统基本方程的简化地球赤道平面的半径约为6378km，在地球表面运动的载体其运行高度可以忽略不计。假设地球是一个以

为半径的球，则北京地区的经纬度分别约116°和40°。载体以经度116°纬度40°为原点，在方圆1km内运动，运动轨道最大直径为2km，则最大直径引起的纬度变化约

，经度变化约假设载体坐标系与地理坐标系重合，载体沿40°纬度线向北以60km/h运动，则投影在载体坐标系上的

最大。此时其中同样，假设地理坐标系与载体坐标系重合，载体以60km/h的速度向西行驶，则机器人姿态传感器

（2.69）

（2.70）（2.71）机器人姿态传感器

（2.72a）（2.72b）

（2.73）（2.74）（2.75）（2.76）（2.77）姿态传感器系统构成及姿态解算1.姿态传感器的构成及其软件设计捷联式机器人姿态传感器由陀螺、加速度计、电路、计算机和输出显示等组成，其框图如图2-45所示。姿态传感器系统构成及姿态解算陀螺和加速度计的安装如图2-46所示。陀螺和加速度计的电路包括电源、放大、滤波和压电泵激励电路。计算机和输出显示部分包括计算机、数据采集电路、显示控制电路等。姿态传感器系统构成及